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随着对称密码的发展,DES数据加密标准算法由于密钥长度较小(56位),已经不适应当今分布式开放网络对数据加密安全性的要求，因此1997年NIST公开征集新的数据加密标准,即AES[1]。经过三轮的筛选,比利时Joan Daeman和Vincent Rijmen提交的Rijndael算法被提议为AES的最终算法。此算法将成为美国新的数据加密标准而被广泛应用在各个领域中。尽管人们对AES还有不同的看法,但总体来说,AES作为新一代的数据加密标准汇聚了强安全性、高性能、高效率、易用和灵活等优点。AES设计有三个密钥长度:128,192,256位，相对而言，AES的128密钥比DES的56密钥强1021倍[2]。AES算法主要包括三个方面：轮变化、圈数和密钥扩展。本文以128为例，介绍算法的基本原理；结合AVR汇编语言，实现高级数据加密算法AES。
　　AES是分组密钥，算法输入128位数据，密钥长度也是128位。用Nr表示对一个数据分组加密的轮数（加密轮数与密钥长度的关系如表1所列）。每一轮都需要一个与输入分组具有相同长度的扩展密钥Expandedkey(i)的参与。由于外部输入的加密密钥K长度有限,所以在算法中要用一个密钥扩展程序(Keyexpansion)把外部密钥K扩展成更长的比特串,以生成各轮的加密和解密密钥。
1.1圈变化
　　AES每一个圈变换由以下三个层组成:
　　非线性层——进行Subbyte变换；
　　线行混合层——进行ShiftRow和MixColumn运算；
　　密钥加层——进行AddRoundKey运算。
　　① Subbyte变换是作用在状态中每个字节上的一种非线性字节转换,可以通过计算出来的S盒进行映射。
　　② ShiftRow是一个字节换位。它将状态中的行按照不同的偏移量进行循环移位，而这个偏移量也是根据Nb的不同而选择的[3]。
　　③ 在MixColumn变换中,把状态中的每一列看作GF(28)上的多项式a(x)与固定多项式c(x)相乘的结果。 b(x)=c(x)*a(x)的系数这样计算:*运算不是普通的乘法运算,而是特殊的运算，即 b(x)=c(x)·a(x)(mod x4+1) 对于这个运算 b0=02。a0+03。a1+a2+a3 令xtime(a0)=02。a0其中，符号“。”表示模一个八次不可约多项式的同余乘法[3]。
　　对于逆变化,其矩阵C要改变成相应的D,即b(x)=d(x)＊a(x)。
　　④ 密钥加层运算(addround)是将圈密钥状态中的对应字节按位“异或”。
　　⑤ 根据线性变化的性质[1],解密运算是加密变化的逆变化。这里不再详细叙述。
1.2轮变化
　　对不同的分组长度，其对应的轮变化次数是不同的,如表1所列。
1.3密钥扩展

　　AES算法利用外部输入密钥K(密钥串的字数为Nk),通过密钥的扩展程序得到共计4(Nr+1)字的扩展密钥。它涉及如下三个模块:① 位置变换(rotword)——把一个4字节的序列[A,B,C,D]变化成[B,C,D,A]；② S盒变换(subword)——对一个4字节进行S盒代替；③ 变换Rcon——Rcon表示32位比特字[xi-1,00,00,00]。这里的x是（02），如 Rcon[1]=[01000000]；Rcon[2]=[02000000]；Rcon[3]=[04000000]…… 扩展密钥的生成：扩展密钥的前Nk个字就是外部密钥K；以后的字W[]等于它前一个字W[[i-1]]与前第Nk个字W[[i-Nk]]的“异或”,即W[]=W[[i-1]]W[[i- Nk]]。但是若i为Nk的倍数,则W=W[i-Nk]Subword(Rotword(W[[i-1]]))Rcon[i/Nk]。

对字符串的加解密：

1. /***
3. * 生成一个密钥文件(key)
5. * @param keyFile  需要生成的密钥文件名字
7. * @throws Exception
9. */
11. public static void createKey(String keyFile) throws Exception {
13.     //1.获取KeyGenerator(键生成器）
15.     KeyGenerator kg = KeyGenerator.getInstance("AES");
17.     //2.获取一个随机数据源
19.     SecureRandom sr = new SecureRandom();
21.     //3.用随机数据源初始化key生成器
23.     kg.init(sr);
25.     //4.生成一个安全的key对象（已经过一系列处理）
27.     SecretKey sk = kg.generateKey();
29.     //5.将此对象以序列化方式写入文件
31.     ObjectOutputStream fos = new ObjectOutputStream(new
33. FileOutputStream(keyFile));
35.     fos.writeObject(sk);
37.     System.out.println("key文件生成完毕!");
39.     fos.close();
41. }
43.    
45. /**
47. * 将字符串加密成一个经加密后的字节数组
49. * @param str      需要加密的字符串
51. * @param keyFile  密钥文件名
53. * @return  加密后的字节数组
55. * @throws Exception
57. */
59. public static byte[] asHex(String str,String keyFile) throws Exception{
61.     //1.获取密钥
63.     ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new
65. FileInputStream(keyFile));
67.     Key key = (Key)ois.readObject();
69.     ois.close();
71.     //2.根据相应算法取得加解密器
73.     Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");
75.     //3. 初始化加解密器
77.     cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
79.     //进行加解密操作
81.     return cipher.doFinal(str.getBytes());
83. }
85.    
87. /**
89. * 将加密后的字节数组解密为原始字符串
91. * @param data     加密后的字节数组
93. * @param keyFile  密钥文件
95. * @return  原始字符串
97. * @throws Exception
99. */
101. public static String asString(byte[] data,String keyFile) throws
103. Exception{
105. //1.获取密钥
107. ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new
109. FileInputStream(keyFile));
111. Key key = (Key)ois.readObject();
113. ois.close();
115.         
117. Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");
119. cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
121.         
123. byte[] vs = cipher.doFinal(data);
125. return new String(vs);
127. }

复制代码

文件的加解密：

1. public static void encrypt() throws Exception{
3.     //1.获取原始文件流(直接反序列化),取得key(密钥)
5.     ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new
7. FileInputStream("myAesKey.key"));
9.     Key key = (Key)ois.readObject();
11.     ois.close();
13.         
15.     //2. 根据相应算法得到密码对象
17.     Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");
19.         
21.     //3. 初始化密码对象(第一个表示操作类型，第二个是密钥文件)
23.     cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
25.         
27.     //4.分别创建源文件流和加密后文件流(使用CipherOutputStream直接操作)
29.     InputStream  srcIs = new FileInputStream("db.config");
31.     CipherOutputStream srcOs = new CipherOutputStream(new
33. FileOutputStream("db_encry.config"),cipher);
35.         
37.     //5.读写文件
39.     byte[] buffer = new byte[1024];
41.     while((srcIs.read(buffer))>0){
43.         srcOs.write(buffer,0,buffer.length);
45.     }
47.     srcOs.close();
49.     srcIs.close();
51.     System.out.println("加密完成");
53. }
56. 解密文件:
58. public static void decrypt() throws Exception{
60.     //1.获取密钥对象
62.     ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new
64. FileInputStream("myAesKey.key"));
66.     Key key = (Key)ois.readObject();
68.         
70.     //2.取得密码对象
72.     Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");
74.         
76.     //3.初始化密码对象
78.     cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
80.         
82.     //4.产生所需要的解密流和输出流
84.     CipherInputStream cis = new CipherInputStream(new
86. FileInputStream("db_encry.config"), cipher);
88.     OutputStream os = new FileOutputStream("db-new.config");
90.         
92.     //5.读写操作
94.     byte[] buffer = new byte[1024];
96.     while(cis.read(buffer)>0){
98.         os.write(buffer,0,buffer.length);
100.     }
102.     os.close();
104.     cis.close();
106.     System.out.println("解密完成！");
108. }

复制代码

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